Appunti Componenti per i sistemi elettroenergetici - Parte 2

LEZIONE 6

1. Definizione e Funzione del Trasformatore

Il trasformatore è una macchina elettrica statica, senza parti in movimento, che trasferisce potenza

elettrica da un punto a un altro variando tensione e corrente. Un trasformatore ideale è "trasparente

alla potenza", cioè trasferisce tutta la potenza di ingresso al secondario senza perdite, mentre un

trasformatore reale ha piccole perdite dovute agli avvolgimenti e al nucleo ferromagnetico. È un

componente passivo e non un generatore.

2. Struttura e Funzione del Nucleo

Nella versione monofase, il trasformatore ha due avvolgimenti (primario e secondario) in rame o

alluminio avvolti intorno a un nucleo di materiale ferromagnetico. Il nucleo ha una doppia funzione:

fornire un percorso a bassa riluttanza al flusso magnetico per ridurre la corrente di magnetizzazione

e migliorare l’accoppiamento tra i circuiti primario e secondario, evitando che il flusso si disperda

nell’aria.

3. Funzionamento e Effetto Trasformatorico

Quando una tensione sinusoidale alimenta il primario, il trasformatore assorbe una corrente

sinusoidale che crea un campo magnetico variabile nel tempo. Questo campo magnetico induce una

forza elettromotrice (f.e.m.) nel primario e nel secondario secondo la legge di Lenz. Il rapporto tra

le f.e.m. è proporzionale al rapporto di spire N1/N2. La potenza complessa trasferita tra primario e

secondario è uguale (trasformatore ideale), dato che il trasformatore è passivo e non genera potenza

(effetto trasformatorico).

4. Tipologie Costruttive del Trasformatore

Sono illustrate le tipologie di trasformatori monofase, come quelli a mantello (nucleo corazzato) che

riducono il flusso disperso e proteggono meglio gli avvolgimenti dalle sollecitazioni meccaniche, e

trasformatori di potenza elevata (es. da 250 a 1000 MVA con tensioni fino a 1200 kV).

Per quanto riguarda i trasformatori trifase, ciascuna colonna del nucleo ha avvolgimenti primari e

secondari, e sono definite convenzioni per l’identificazione dei morsetti ad alta e bassa tensione.

1. Modelli Elettrici e Schemi Equivalent

In analisi circuitali si riportano tutte le impedenze o al primario o al secondario mantenendo

inalterati i flussi di potenza (ipotesi di trasformatore ideale). Lo schema equivalente a T rappresenta

impedenze di dispersione e perdite del trasformatore ed è valido per monofase e trifase. Lo schema

a Γ è un’approssimazione utile nello studio degli impianti elettrici, spostando l’ammettenza a vuoto

all’ingresso del primario, apprezzata soprattutto in condizioni di funzionamento a vuoto.

2. Prove del Trasformatore

Sono descritte le prove principali:

- Prova a vuoto, per determinare le perdite nel ferro e le correnti magnetizzanti;

- Prova in cortocircuito, per la misura della potenza dissipata nel rame e l’impedenza serie (Zcc).

L’impedenza di cortocircuito è determinata analizzando la potenza attiva e la corrente circolante a

secondario in cortocircuito, mentre si trascurano le perdite nel ferro.

1. Condizioni per il Parallelo dei Trasformatori

Per mettere in parallelo due o più trasformatori devono essere soddisfatte:

- stessa frequenza nominale e stesso rapporto di trasformazione nominale;

- se trifase, stesso gruppo e connettività, con fasi nello stesso ordine;

- tensioni e fattori di potenza di cortocircuito uguali.

In tal modo, il carico si ripartisce proporzionalmente alle potenze nominali evitando sovraccarichi.

1. Alimentazione di Carichi Squilibrati

Il comportamento del trasformatore nel caso di carichi squilibrati dipende da vari fattori: schema di

collegamento, presenza di neutro, tipo di nucleo, avvolgimenti terziari, impedenze di linea e degli

alimentatori.

Sono analizzati casi concreti: un trasformatore che alimenta carichi monofase squilibrati può far

circolare corrente al primario solo sulle fasi corrispondenti al carico senza creare flussi magnetici

indesiderati, se opportunamente configurato (es. gruppo Dyn11). Al contrario, altri schemi non sono

adatti perché provocano flussi magnetici non compensati, tensioni di fase alterate e correnti

magnetizzanti importanti.

1. Scelta Tecnico-Economica del Trasformatore

Tra trasformatori con caratteristiche simili si sceglie quello con il costo annuo minimo, somma di

costi d’acquisto e dei costi operativi relativi alle perdite energetiche.

Le perdite di energia sono principalmente quelle nel rame (dipendenti dal carico) e quelle nel ferro

(costanti). Il calcolo del costo annuo considera i